热插拔控制器在直流升压电路中的设计应用 服务器, 控制器, 交换机, 热插拔, 通信

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设计了一种利用热插拔保护控制芯片，实现直流升压电路的输出过流、短路保护。本文分析了直流升压电路以及热插拔保护电路的工作原理及实现方式，详细介绍了电路及参数设计、选择过程，以及实际工作开关波形，并给出了设计实例。实验证明，利用热插拔保护控制芯片，有效地避免了常规直流升压电路在输出过流短路时的固有缺陷，提高了电源使用的可靠性。

0引言

热插拔保护电路通常用于服务器、网络交换机、以及其他形式的通信基础设施等高可用性系统。这种系统通常需要在带电状态下替换发生故障的电路板或模块，而系统照样维持正常运转，这个过程称为热插拔（Hot Swapping）。本文将阐述热插拔控制器的另一种用法，利用热插拔保护电路具有的过流和短路保护功能，解决开关直流升压电路的输出端保护问题。

1开关直流升压电路的基本原理

开关直流升压电路（The Boost Converter或者Step-up Converter），是一种开关直流升压电路。输出电压高于输入电压，输出电压极性不变，基本电路图如图1所示。


图1 开关直流升压电路

开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。

输出过流时，电路会采样开关管的峰值电流，减小占空比，导致输出电压下降。当输出电压降到输入电压时，过流保护不再受控，保护失效。另外输出过流点还会随着输入电压升高而变大。当输出短路时，输入电源会通过电感、升压二极管形成短路回路，导致电源故障。BOOST电路还有一个缺陷是不方便控制关闭输出，当控制芯片关闭，开关管截止时，输出仍然有电压，不像BUCK电路，很方便的将输出电压降到0 V.

2热插拔控制器的基本原理

热插拔（Hot-Plugging或Hot Swap）即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性。如果没有热插拔控制器，负载端的模块插拔时，会对电源产生浪涌电流的冲击，影响电压的稳定与电源的可靠性。这个问题可通过热插拔控制器来解决，热插拔控制器能合理控制浪涌电流，确保安全上电间隔。上电后，热插拔控制器还能持续监控电源电流，在正常工作过程中避免短路和过流。

3关键电路设计与实例

3.1电源要求

电源实例如图2所示，其中的电源输入9~18 V，额定输出28 V/1.2 A，过流保护1.5 A.


图2 电源实例
3.2电路简介
这是一款用了TPS2491热插拔控制芯片的升压电路，带有输出过流短路保护，当遥控端CTL接地时，电源进入待机模式，输出为零。

热插拔控制器包括用作电源控制主开关的N沟道MOSFET、测量电流的检测电阻以及热插拔控制器TPS2491三个主要元件，如上图2所示。热插拔控制器用于实现控制MOSFET导通电流的环路，其中包含一个电流检测比较器。电流检测比较器用于监控外部检测电阻上的电压降。当流过检测电阻上产生50 mV以上电压的电流将导致比较器指示过流，关闭MOSFET.TPS2491具有软启动功能，其中过流基准电压线性上升，而不是突然开启，这使得负载电流也以类似方式跟着变化。

TPS2491内部集成了比较器及参考电压构成的开启电路用于使能输出。比较器的开启电压为1.35 V，关闭电压1.25 V，有0.1 V的滞差保证工作的稳定。通过分压电阻精确设定了使能控制器所必须达到的电源电压。器件一旦使能，MOSFET栅极就开始充电，这种电路所使用的N沟道MOSFET的栅极电压必须高于源极。为了在整个电源电压（VCC）范围内实现这个条件，热插拔控制器集成了一个电荷泵，能够将GATE引脚的电压维持在比VCC还高10 V的水平。必要时，GATE引脚需要电荷泵上拉电流来使能MOSFET，并需要下拉电流来禁用MOSFET.较弱的下拉电流用于调节，较强的下拉电流则用于在短路情况下快速关闭MOSFET.

热插拔控制器还有一个模块为定时器，它限制过流情况下电流的调节时间。选用的MOSFET能在指定的最长时间内承受一定的功率。MOSFET制造商使用图3标出这个范围，或称作安全工作区（SOA）。


图3 MOSFET安全工作区

定时器还决定控制器自动重启的时间，故障导致关闭MOSFET，经过16个振荡周期后，芯片重新使能输出。

3.3设计过程


（4）选择CT

选择合适的电容，保证输出启动时能完成输出电容的充电且不引起故障保护的动作。

（5）选择使能启动电压

EN端启动电压为1.35 V，关闭电压为1.25 V.利用此引脚，可以做输入欠压保护；设计分压电阻为240 kΩ和13 kΩ，开启电压为26.3 V，在24.3 V时关闭。

（6）其他参数

GATE驱动电阻，为了抑制高频振荡，通常取10Ω；PG端上拉电阻，保证吸收电流小于2 mA，在本设计中不需要，悬空处理；Vcc端旁路电容，取0.1μF.

电源使能端串联一个二极管BAV70，低电平时可以关闭升压电路和电源输出。

4测试结果和各测试点的工作波形

测试结果为过流保护动作点：1.45 A；输出长期短路无损坏，短路去除恢复输出；遥控端使能工作正常。

上电时各个测试点波形如图4所示。


图4 上电波形

图4中CH2是升压后的电压，当输入加电，升压电路立即工作，很快达到28 V.为了防止后极负载的浪涌电流对MOSFET的冲击，可以看到驱动电压（CH1）是缓慢上升的，输出电压（CH3）也是跟随缓慢上升。在启动过程中，很明显看到MOSFET的驱动电压不高，MOSFET工作于线性区，同样可以抑制输出端电流的增大，有效保护MOSFET在启动过程中不过载。

正常工作时的各点电压如图5所示。由图5可以看到，正常工作时，输出电压（CH3）等于升压后的电压（CH2），MOSFET驱动电压（CH1）比输出电压高了14 V，可以保证MOSFET良好导通，降低热耗和压差。


图5 正常工作波形
当负载过流或短路时的波形如图6所示。由图6可以看到，当输出过流或短路时，MOSFET驱动电压（CH1）迅速下降，导致输出电压（CH3）跟着下降，有效的保护电源的安全。经过2 s的重启周期后，驱动电压有个小小的试探电压，如果故障仍然存在，重启不成功，驱动电压又恢复到零。反之重启成功，正常输出。如图7所示。


图6 故障保护波形

图7 电源重启波形


5结语

实践证明，基于TPS2491热插拔控制器的保护控制电路具有电路简单可靠，应用方便的特点。本电路应用于开关直流升压电路中，完美解决了原来没有输出过流短路保护以及不能遥控输出的缺陷，收到了良好效果。